[发明专利]提高CCGA 器件软钎焊焊点可靠性的互连结构及实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种CCGA器件的互连结构及其实现方法，涉及CCGA器件内部互连结构的改进，属于微电子封装技术领域。

背景技术

无铅化、微型化、多功能和高可靠性是近年来电子产品制造的努力方向。与四边引脚封装形式相比，面阵列排布焊点的封装形式在单位面积上的输入/输出(I/O)数量呈几何级数增加，促进了高密度封装技术的发展，使得电子产品不断向微型化、多功能的目标迈进。然而，高可靠性的目标却并没有得到同步发展，加速寿命试验数据表明，与PBGA(Plastic Ball Grid Array)这种无引脚的面阵列封装器件相比，引脚对应力的吸收作用使PLCC(Plastic Lead Chip Carrier)和QFP(Quad Flat Package)四边引脚封装器件焊点的疲劳寿命更高，是PBGA的2-3倍。

由于面阵列封装器件的热疲劳寿命随封装尺寸增加而降低，对于高频率、高功率、高I/O的大芯片封装，通常需要采用CGA(Column Grid Array)封装形式替代BGA(Ball GridArray)封装，借助高度更高的钎料柱来提高器件的散热能力并有效缓解陶瓷芯片载体基板与树脂基板之间TCE(Thermal Coefficient ofExpansion)差异引起的应力。尽管如此，大芯片CCGA(Ceramic Column Grid Array)器件的平均寿命较小尺寸芯片CBGA(CeramicBall Grid Array)器件约低1000个循环，甚至更差。

另外，CCGA器件中的高铅钎料柱互连也不符合无铅化封装的要求，CGA封装的应用处于尴尬的境地。IBM公司于2005年曾提出采用铜柱(这里所述“铜柱”为铜圆柱，铜圆柱的横截面积不变，参见图4)代替高铅钎料柱，由于热循环期间柔韧铜柱易于挠曲变形，互连内部的应力能够被部分释放，因此，铜柱互连的CCGA器件较钎料柱互连的CCGA器件的热疲劳寿命有所提高，但仅限于与小尺寸芯片CBGA相当的水平。

综上所述，目前的应用现状是，面阵列封装器件的热循环寿命普遍低于周边引脚封装器件，不能够实现封装的高可靠性与高密度、微型化、多功能目标的同步发展。因此，有必要采取有效方法和措施来提高面阵列封装器件的可靠性，以满足未来高频率、高功率、高I/O的大芯片封装的可靠性要求，同时为航空航天及军用电子产品的制造提供更高可靠性的封装。

发明内容

本发明为了解决现有面阵列封装器件可靠性低于周边引脚封装器件以及高频率、高功率的大芯片封装器件可靠性低、使用寿命较短的问题。本发明欲通过CCGA器件内部互连结构的改进，显著降低钎焊圆角内部的应力，目的是提供一种可使CCGA器件可靠性显著提高的、可用于大芯片封装的互连结构及其实现方法。

本发明欲达到的目标是：

1)、面阵列封装器件的热循环寿命与周边引脚封装器件相当，甚至更高；

2)、面阵列封装器件抵抗机械外载的能力显著提高。

本发明的设计构思：

传统CCGA器件中呈面阵列排布的焊柱互连，通常是采用低熔点的共晶钎料将中间位置的高熔点的高铅钎料柱的两端分别钎焊到芯片载体基板焊盘和印刷电路板焊盘上，形成的复合钎料焊点显然并不符合电子产品的无铅化要求。同时，传统CCGA的高铅钎料延性差，服役过程中不能借助于钎料柱的变形来释放内应力，因此容易在两种钎料的界面位置形成较大的应力集中而发生开裂。而铜柱CCGA互连，即采用低熔点的共晶钎料将中间位置的铜圆柱的两端分别钎焊到芯片载体基板焊盘和印刷电路板焊盘上的互连，虽能够通过变形来释放部分内应力，但钎料/Cu柱界面钎焊圆角尖端仍然是整个互连结构的应力应变集中位置(如图4的界面A部为应力应变集中位置)，即性能薄弱的钎焊圆角需要承担整个互连结构的峰值应变。

载荷条件一定情况下，器件焊点的可靠性一方面取决于连接材料及连接界面的性能，另一方面与封装结构或焊点几何密切相关。因此，在目前无铅钎料的开发已经相当成熟的条件下，互连结构的改进可遵循两个原则，一是降低不同载荷形式下互连的应力集中程度，二是基于电子器件的薄弱区通常位于钎料焊点界面或内部、70％以上电子产品的失效是由于钎料焊点开裂造成的事实，控制钎料焊点内部局部应力集中程度的同时，尽量通过设计使性能更好的材料代替性能薄弱的钎焊圆角承受互连的峰值应力和峰值应变。

本发明的技术方案为：